整体锻焊式氨合成塔换热器设计

1、整体锻焊式氨合成塔换热器设计1.1氨合成塔内换热器的设计条件表7-1冷热流体进出换热器的温度及流量介质进换热器温度T1、t1 C出换热器温度T2、t2 C流量kmol/h热流体45021515811.77冷流体6025617788.241.2设计方案选择流程安排由本书节可知本设计选用固定管板式换热器。从 两流体的压力来看，热流体压力较冷流体的高，为了减小壳 体承受的压力和防止合成后的NH3泄漏，选择热流体走管程，从上部进；冷流体走壳程，从下部进；冷副气从下部进， 不进行换热，直接进触媒层冷管。物性数据的确定竺竺158 C21 .定性温度:管程混合气体的疋性温度为TTiT2450215332.5

2、C22壳程混合气体的疋性温度为t1 t222. 冷热流体的平均密度及平均分子量由于冷热流体均是混合气体，故需求其平均密度及平均分子量a）热流体混合气体各组分在332.5 C下的密度:N2 :p2PMRT32 1 06 28177.9858.314103(273332.5)kg/m3H2:PM632 10212.713kg/m3妞RT8.314103 (273332.5)NH3 :pH3PM321017108.062RT8.314103(273332.5)kg/m3CH4 :PM32106 16101.706pH4RT8.314103(273332.5)kg/m3PM32 1 06 40Ar :

3、pr3254.265RT 8.314 10(273 332.5)kg/m3由本书表2-7可知热流体的组成，故热流体混合气体的平均密度：p = p2XN2 + p2XH2+ pH3X NH3 + pH4XcH4 + prX Ar(7-1)177.985 16.53% 12.713 49.60% 108.062 17% 101.706 11.81% 254.265 5.06% 78.974 kg/m3热流体混合气体的平均分子量：M 1 = M n2 XN2 +M H2 XH2 +M NH3 XNH3 +M CH4 XCH4 +M ArX Ar(7-2)28 16.53% 2 49.60% 17 1

4、7% 16 11.81% 40 5.06% 12b)冷流体混合气体各组分在158 C下的密度：N2 :PM32 1028250.046kg/m3孔RT8.314103 (273158)H2 :PM632 10217.860kg/m3妞RT8.314103 (273332.5)NH3 :pH3PM32106 17151.814RT38.314 103(273332.5)kg/m3CH4 :PM32 106 16"H4RT 8.314 103 (273 332.5) 142.884kg/m3Ar :PM32 1 06 408.314 103 (273 332.5)357.209kg/m3

5、由本书表2-7可知冷流体的组成，故热流体混合气体的平均密度：p = p2 XN2 + p2 XH2 + pH3 XNH3 + pH4 XCH4 + pr XAr250.046 20.25% 17.860 60.76% 151.814 4% 142.884 10.50% 357.209 4.50% 98.636 kg/m3热流体混合气体的平均分子量：M2 = M N2 XN2 +M H2 X H2 +M NH3 X NH3 +M CH4XCH4 +M ArX Ar28 20.25% 2 60.76% 17 4% 16 10.50% 40 4.50% 11查参考文献1附图9、19、29得，冷热流体

6、物性数据如表7-2表7-2冷热流体物性数据流体定性温度C密度pkg/m3比热容CpkJ/kg K粘度卩Pa s导热系数入W/m- K热流体332.578.974420.442.72 X10-56.977冷流体15898.636344.422.16 X10-51.3261.3换热器工艺结构设计初算换热面积1 .换热器的热流量Q Q3 Q415811.77 33.47 450 15811.77 31.17 215132185606.6kJ/h=31593020.9kcal/h2. 平均传热温差（人切仃2 tjtm换热器内流体流动方式为逆流。t2t1(7-3)(450 256) (215 60)ln

7、45° 256215 60174 °C3. 平均传热温差校正校正系数上2 bT1 t1256 60450 600.503T T2t2 t1450 215256 601.199由参考文献 化工原理上册图 4-19(a)查得 恤=0.65所以tm t tm 0.65 174113.1 C4. 计算传热面积取总传热系数 K=450 W/(m 2 K)= 387 kcal/(m 2 h K)则所需传热面积(7-4)S'QK tm31593020.9721.8 m387 113.1工艺结构尺寸1. 管径和管内流速为了提高传热效率，同时减少流体流动阻力，结合考虑其他性能，本设计

8、选择25mM2.5mm的1Cr18Ni9Ti无缝钢管，取管程流速 W=25m/s，壳程流速uo=12m/s。2. 换热器内径选择换热器内径 D=1900mm。3. 换热管排列形式及中心距换热管在管板上的排列形式中正三角形形式可以在同样 的管板面积上排列最多的管数，用得最为普遍，故本设计采 用正三角形排列形式。依据换热管外径在参考文献2表6-1中查得换热管中心 距 d=32mm 。4. 管数已选取换热器内径 D=1900mm ,由参考文献 282页根据公式D t(n c 1) 2do可求得管束中心线上管排的管数ncncD 2d。t(7-5)58.8 59 根对正三角形排列的管数 N:N (挣(卸

9、2877根(7-6)每根管子的长度L :,S'721.8，L3.194 mdoN0.025 2877(7-7)根据参考文献2 257页中换热管的推荐长度，采用L=4.5m，贝UN 空72182043 根Ldo4.5 0.025根据参考文献7查得管子在管板上的排列，取N=2833根5. 折流板尺寸为了充分利用高压容器空间，本设计选用圆盘-圆环形折流板。a）通道截面积A98.636冷流体体积流量V 处 17788.24 11 1983.77m3/h=0.55m3/s(7-8)则通道截面积A V 0.550.046 m2Uo12b）内挡板外径D2由 A (D2 D22) (D2 D22) a可求得 D244其中a 单位空间面积里管子面积，4do0.785 0.02$a22 0.554sin60 d20.866 0.0322则0.046 (1.92D22) (1.92D22) 0.55444解上式得D2= 1.87mc）外挡板内径D1由A -(D12